放電焼結法により作製したグラファイト/銅複合材料中のグラファイトの配向性評価と熱伝導特性への影響

摘要

近年，IT 関連や自動車産業などの電子機器の発展により，パソコンや携帯情報端末、電力用電子デバイスの小型?高集積化が急速に進むと予想され、効率的な放熱や熱交換技術への期待が高まっている．しかし，放熱フィンの高密度化や大規模な集積回路の高集積化などの設計による熱伝導性及び熱伝達性の向上には限界があり，これまでの熱伝達方法の改良だけでは，電子デバイスの発熱を解消しその性能向上を図ることは困難となっている．従来，放熱材料としては銅やアルミニウムなどの金属単体やこれらの金属合金が用いられてきた．しかしながら，これらの材料は高温域での強度や剛性の低下が著しく，熱伝導率についても金属単体では400W/m?K の熱伝導率が限界である．また，電子基板との熱膨張係数（CTE-Coefficient of thermal expansion）の差も大きく，熱疲労が発生しやすい．これらの問題を同時に解決できる高熱伝導性材料として，金属基複合材料（MMC : Metal MatrixComposites）が期待されている．MMC の母相としては，アルミニウムや銅，銀およびこれらの合金が候補材料となる．また，分散材としてダイヤモンドや炭素繊維，カーボンナノファイバ，グラフェン，グラファイトなどの炭素材料，硼化物や窒化物系のセラミックスを用いることで，熱伝導性の維持?向上，CTE の抑制，高温での機械的性質の向上が期待できる．著者らは，既にアルミニウムとTiB_2, 炭素繊維との複合材料を作製し，微細組織が熱伝導特性に与える影響を調査した．そこで，本研究では，優れた熱伝導性を有し，汎用材料として実用化が進hでいるグラファイト/Cu 複合材料に焦点を当てた．複合材料の熱的特性の向上には強化材である鱗片状黒鉛の大きさ,体積率,配向性などが重要な因子となるため,放電焼結法によりこれらの条件を変化させた試料を作製し組織観察による配向性の評価,熱的特性の評価を行うとともに，グラファイトの異方性を考慮した熱伝導シミュレーションを用いて,鱗片状黒鉛の異方性がグラファイトの傾きによって複合材料の熱伝導率に与える影響を算定するとともに実測値との比較を行った.